开关电源PCB布板要领总结

【作者：nc965】...



作者：nc965

开关电源在布线上最大的特点是拓扑引起的高频（高压）强电流与控制级的弱电信号交织在一起，首先要保证强电流的存在不干扰电源内部的控制信号，其次要尽量减少对外部的干扰（EMC）。一句话：要运行最稳定、波形最漂亮、电磁兼容性最好。 题目是讲“要领”，因此不讲细节，也不是教材，互相交流学习。

一个典型的开关电源强电流分布：

特点：每种拓扑的输入输出电流Ii 和Io幅度较大（与控制信号相比），但以直流为主。每种拓扑的拓扑电流（It）幅度也较大，但一般没有尖峰毛刺，是拓扑产生的典型波形。每种硬开关拓扑都有一个高频脉冲电流（Ip）回路，其幅度最大，且有可观的尖峰毛刺，其中毛刺部分幅度大，频率高，因而含有较高的能量。它一般是由续流或者吸收（钳位）二极管反向恢复引起的冲击电流回路，是最容易引起干扰的元凶。以上四种电流对应流经一段地线，并可能在对应的地线段上产生干扰电位差。

电流分类是开关电源布线的主要线索，请大家记住这个图。从图中可以看出，It和Ip电流完全（不是部分）地流经了各自对应的一个电容Ci和Co。一般人很少去关注电容上流过的电流，而实际上这正是开关电源布局的关键之一。干扰都是通过电容被旁路的，整个电路最强劲电流都在电容上，电容很重要！

按照反应速度分，最快的器件是电容、二极管（别跟我扯正向恢复）等器件，最慢的器件是电感等器件。


要领一



高频脉冲电流（Ip）回路最小化（第一个圈）

首先找到你电路的高频脉冲电流Ip回路（每个拓扑都有的），它一般都是由包括开关管在内的快速器件组成的环路，在布局上让它最小化（连线最短、面积最小，因而干扰最小）。

这个是整个开关电源布局的第一步，而不是先去张罗输入输出在哪？IC放哪？

这样连接后，ND两个地会合并在一起，形成一个点，这个点就是整个电路的接地中心。


要领二



拓扑电流（It）回路最小化 （第二个圈）

找到你电路的拓扑电流It回路（每个拓扑都有的），它一般都是包含了一个电感（或者变压器原边）的拓扑主回路的一部分，让它最小化。

注意：It回路与Ip回路有部分重叠（才能构成拓扑），因此It回路（应该）是在Ip回路（已经布置好的）基础上的延伸。有时候这两个回路的布局有冲突，一般应以Ip回路为主。对于隔离拓扑，It回路被变压器分隔成原边和付边两部分，应分开最小化布置。如果It回路有个接地点，那么这个接地点应与上述接地中心重合，不能布置到一个点时，也要尽量缩短距离，同时留心这段地线上的It电流可能的影响。条件受限时，上述2个回路的（输入输出）电容可能不能共地，必要时可以电气并联的方式就近增加一个（或两个可以共地的）高频电容达成共地。

需要特别指出的是：这种布局是针对硬开关的，但是对软开关拓扑仍然有效，你总不希望自己的软开关谐振波形上再意外出现一个小波吧？这种布局是针对硬开关的，它就是要让电路看上去更加符合理论波形，拿掉毛刺、拿掉尖峰。另一层意思是：它会更硬一些（可能对EMC某些频段不利）。从EMC角度，这种布局就是总体最优化结构，整体上最容易过辐射和传导测试。具体到某个板能不能过？按这样布局后的整改工作量和成本也是最小。

根据以上布局，图一地线上G、N、D三个点已经最大程度的合并成一个点了，这就是拓扑接地中心GND。它的意义也很明确：这个点以外的地线上应该已经没有大的脉冲电流了，你的地线基本上就安静了，你的板总体上也安静了。因此，主电路的其他部分：桥在哪？输入输出端子在哪？怎么走线都问题不大了。但仍然有意外情况：如果图一的输入差模滤波电感Li没有或不足，其地线的输入A-GND段仍然可能有较大的脉动电流。这是由于电源的输入阻抗太低，以至于单独一个Ci还不足以旁路掉所有高频的缘故。输出突然短路、或者输入在交流的高电压角突然开机，电容Co和Ci呈短路运行工况，可能在地线的GND-E或者A-GND段上产生非常强大的电流和高达足以烧坏芯片的电压差(可能十几伏或更高)。有不少人开机或者短路就烧芯片（其他不烧），多半是这里没处理好。


要领三



驱动电流Ig回路最小化（第三个圈）需要注意的是：这个电流环路应包含驱动电路的Vcc滤波电容Cg通道在内，因为驱动电流本质上就是该滤波电容Cg的输出电流。这个电流（脉冲成分）是很大的，一般是安培级，至少是亚安培级，几乎与拓扑电流相当。这个滤波电容Cg必须贴近驱动IC的供电端子布置，这是因为驱动IC内部的电路和信号可能非常复杂和敏感，完全要仰仗这个电容来撑住。——这一布线原则对任何一个芯片（电路）都适用，即：每个IC的Vcc滤波电容无一例外的都必须就近钉在该芯片的Vcc和Gnd引脚上，没得商量。这样布置下来后，一般会形成Rg连线和GND-gnd两条连线，两条连线在环路电流Ig上是等效的。这意味着改变其中任意一条连线上的电流波形，都将改变驱动电流波形，使其不再纯粹。这还意味着GND-gnd可能会拉开距离，这就形成了第二个接地中心gnd。gnd即驱动电路的滤波电容Cg的接地端，它可能与拓扑接地中心GND拉开距离。如图所示，所有弱电单元的地线应在此一点接地，再连接到GND。为什么要这样接？原因是：首先，其中辅助电源的电流Iv是最大的（也可能是安培级），而且跟Ig刚好反向（它是Cg的输入电流），如果其接地点不连接到gnd，比如接到GND，势必会在GND-gnd连线上形成Iv电流回路，使Ig叠加上Iv，导致驱动电流波形畸变，即：驱动被供电干扰。 基于这个原因，驱动电路的滤波电容Cg的VCC端的输入输出连接也需要分开走线。其他电路单元的电流一般很弱，如果连接到其他地方，则会使GND-gnd连线上较强劲的Ig脉冲电流叠加到自己的地线上，即：控制被驱动干扰。同理，其他各个电路的地线，无论多么绕，均应分别走线到gnd一点接地，否则，除了可能因上述Ii、Io、Ip、It、Ig、Iv等强电流窜进自己的地线形成干扰外，还可能通过共用地线相互干扰。

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